Физики научили двумерный топологический изолятор превращаться в сверхпроводник

Схематическое изображение электронной структуры двумерного дителлурида вольфрама как сверхпроводника (слева) и топологического изолятора (справа)
Sanfeng Wu
Две группы физиков независимо друг от друга обнаружили, что двумерный дителлурид вольфрама при температурах ниже одного кельвина может превращаться из топологического изолятора в сверхпроводник. Этот переход можно проводить контролируемо и обратимо за счет увеличения концентрации электронов в материале при изменении внешнего электрического поля. По словам авторов обоих исследований, опубликованных Science (1, 2), это первый материал, в котором наблюдался такой переход, и в будущем он может использоваться для получения майорановских фермионов или при разработке топологических квантовых компьютеров.
Топологические изоляторы — материалы, в которых электроны на поверхности и в объеме ведут себя принципиально по-разному. Если основная часть топологического изолятора, находящаяся вдали от границ, — это диэлектрик или полупроводник, то на поверхности материала возникает очень тонкий проводящий слой, в котором носители заряда ведут себя аналогично электронам, например, в графене: их импульс и энергия связаны линейно, и ведут они себя как безмассовые частицы. Устойчивость такой структуры связана с топологической защитой поверхностных электронных состояний, из-за которой они не могут быть разрушены структурными дефектами или немагнитными примесями.
Помимо
объемных топологических изоляторов, сейчас активно исследуются и двумерные
материалы с аналогичными свойствами. В них топологическая
защита может быть реализована не только
для электронных состояний, но и, например,
для экситонов, а в двумерных метаматериалах — и для фононов. Поскольку топологические
изоляторы, в том числе двумерные, —
весьма перспективные материалы (в частности,
для спиновой электроники), интерес
представляют условия (в первую очередь
— температурный режим, химический
состав, магнитное
и
электрическое поле),
при которых такие электронные состояния возникают и разрушаются, а также — каким образом при этом меняются
физические свойства материала.
Сразу
две группы физиков обнаружили, что один
из двумерных топологических изоляторов
— дителлурид вольфрама, WTe2 — однослойный
полуметалл с гексагональной структурой
(который предлагают использовать, например, в современных многослойных
ван-дер-ваальсовых
структурах) при температурах, очень близких к
абсолютному нулю, может превращаться
из топологического изолятора в
сверхпроводник.
Ученые
из
США, Франции, Великобритании и Японии
под
руководством Пабло Харильо-Эрреро
(Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского
технологического института обнаружили
этот эффект при исследовании поведения
двумерного дителлурида вольфрама
станадратным четырехэлектродным
методом. В эксперименте небольшой участок двумерного кристалла зажимали
между двумя слоями гексагонального
нитрида бора толщиной
в несколько нанометров. В
четырехэлектродном полевом транзисторе
нитрид бора выполнял функцию диэлектрика,
с помощью которого можно было контролировать
концентрацию носителей заряда, за счет чего при изменении напряжения
затвора концентрацию
электронов физики меняли в диапазоне от 1012 до 1013 электронов на квадратный
сантиметр.
Оказалось, что при температурах ниже одного кельвина (это около −272 градусов по Цельсию) и концентрации электронов около 5·1012 электронов на квадратный сантиметр электронная структура дителлурида вольфрама резко меняется, и из топологического изолятора материал превращается в сверхпроводник — сопротивление вдали от границ материала падает с 107 ом до уровня шума.
Другая группа физиков из Канады и США под руководством Джошуа Фолка (Joshua A. Folk) из Университета Британской Колумбии провела очень похожий эксперимент, в котором лишь немного отличалась геометрия транзистора. В результате им удалось обнаружить точной такой же переход и более точно определить температуру перехода. По словам авторов обеих работ, открытие было сделано одновременно и независимо друг от друга.
Авторы исследований отмечают, что это первый материал, в котором удалось увидеть переход между состояниями топологического изолятора и сверхпроводника. При этом процесс переключения между состояниями полностью обратим. Однако максимальная температура, при которой можно наблюдать подобный переход в дителлуриде вольфрама, очень низкая — всего 0,518 кельвина. При этом при температурах от абсолютного нуля до температуры кипения жидкого азота однослойный дителлурид вольфрама может находиться в трех различных состояниях и быть либо проводником, либо топологическим изолятором, либо сверхпроводником.
Физики надеются,
что возможность перехода из состояния
топологического изолятора в состояние
сверхпроводника может быть использована
для получения реальных майорановских
частиц, которые
являются
античастицами по отношению к самим
себе, а
также при разработке
квантовых компьютеров, топологически
защищенных от разрушения квантового
состояния
Напомним,
что в 2017 году группа физиков
из Китая и США впервые обнаружила
состояния, которые ведут себя
как майорановские
частицы. Однако
пока обнаруженные
квазичастицы не связаны напрямую с
поисками реальных майорановских
фермионов.
Александр Дубов